B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO KHẢO SÁT PHÂN BỐ SUẤT LIỀU XUNG QUANH PHÒNG MÁY X QUANG CHẨN ĐOÁN Y TẾ BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP LU ẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Thành ph ố Hồ Chí Minh -2012... B Ộ GIÁO
Trang 1B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
KHẢO SÁT PHÂN BỐ SUẤT LIỀU XUNG QUANH PHÒNG MÁY X QUANG CHẨN ĐOÁN Y
TẾ BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP
LU ẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ
Thành ph ố Hồ Chí Minh -2012
Trang 2B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
KHẢO SÁT PHÂN BỐ SUẤT LIỀU XUNG QUANH PHÒNG MÁY X QUANG CHẨN ĐOÁN Y
TẾ BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP
Chuyên ngành: V ật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao
Mã s ố : 60 44 05
LU ẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ
Người hướng dẫn khoa học
TS TRƯƠNG THỊ HỒNG LOAN
Thành ph ố Hồ Chí Minh-2012
Trang 3LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình hoàn thành luận văn, tôi đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, động viên, giúp đỡ của quý thầy cô, gia đình và bạn bè Xin cho phép tôi được bày
tỏ lòng biết ơn chân thành của mình đến:
TS Trương Thị Hồng Loan, người đã theo dõi suốt quá trình thực hiện luận văn của tôi Cô là người giảng dạy, hướng dẫn những bài học đầu tiên về phương pháp mô phỏng Monte Carlo và gợi ý sử dụng chương trình MCNP (Monte Carlo N – Particle) trong nghiên cứu đề tài này Cô cũng là người truyền cho tôi sự say mê nghiên cứu khoa học, đã có những góp ý quý báu cho tôi trong quá trình tiến hành
luận văn
Các thành viên trong nhóm MCNP của Bộ môn Vật lý hạt nhân : Cô Trương
Thị Hồng Loan, các anh chị: Đặng Nguyên Phương, Trần Ái Khanh, Lê Thanh Xuân, Nguyễn Thị Cẩm Thu đã hỗ trợ, đóng góp ý kiến và luôn bên cạnh giúp đỡ tôi trong quá trình tiến hành luận văn
ThS Thái Mỹ Phê đã giúp tôi trong việc tiến hành đo đạc thực nghiệm tại
bệnh viện Nhi đồng Bác sĩ Nguyễn Anh Tuấn bệnh viện Nhi đồng I đã cho phép chúng tôi tiến hành đo đạc thực nghiệm tại bệnh viện
Ngoài ra tôi cũng xin chân thành cảm ơn đến các kĩ sư của hãng Shimadzu là
những người đã cung cấp cho tôi tài liệu về máy X quang của hãng cũng như hỗ trợ tôi rất nhiều trong việc tìm hiểu về cấu tạo của máy X quang
Tôi xin gửi lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè luôn ủng hộ động viên tôi để tôi hoàn thành khóa học
Trang 4
MỤC LỤC
L ỜI CẢM ƠN 1
M ỤC LỤC 2
DANH M ỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5
DANH M ỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 6
DANH M ỤC CÁC BẢNG 10
M Ở ĐẦU 11
Chương 1: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ MÁY PHÁT TIA X 16
1.1 Cấu tạo máy phát X quang thông thường 16
1.1.1 Cấu tạo ống phát tia X 16
1.1.2 Bộ lọc tia 35
1.1.3 Hệ chuẩn trực đầu đèn (Collimator) 36
1.2 Nguyên lý của quá trình phát tia X 39
1.2.1 Nguyên lý tạo tia X 39
1.2.2 Các tính chất của tia X 47
1.3 Nguyên lý hoạt động của máy phát tia X 51
1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng liều ra tia X 52
Chương 2: AN TOÀN BỨC XẠ TRONG X QUANG CHẨN ĐOÁN Y TẾ 57 2.1 Các hiệu ứng sinh học của bức xạ ion hóa 57
2.1.1 Cơ chế tác dụng của bức xạ ion hóa 57
2.1.2 Những tổn thương do bức xạ ion hóa 58
2.2 Các tiêu chuẩn về an toàn bức xạ 61
Trang 52.2.1 Lịch sử xây dựng các tiêu chuẩn an toàn bức xạ trên thế giới 61
2.2.2 Các khuyến cáo về an toàn bức xạ của ICRP 61
2.2.3 Các tiêu chuẩn về an toàn bức xạ của IAEA [6][34][35][38] 63
2.2.4 Giới hạn liều 64
2.3 An toàn bức xạ tại các cơ quan y tế theo tiêu chuẩn Việt Nam 65
2.3.1 Các quy chế an toàn bức xạ đã được ban hành ở Việt Nam 65
2.3.2 Tiêu chuẩn Việt Nam – TCVN 6561:1999 về an toàn bức xạ ion hóa tại các cơ sở X quang y tế 66
Chương 3: KHẢO SÁT PHÂN BỐ SUẤT LIỀU XUNG QUANH PHÒNG MÁY X QUANG CH ẨN ĐOÁN Y TẾ BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP 72 3.1 Giới thiệu chương trình MCNP 72
3.1.1 Lịch sử của chương trình MCNP 72
3.1.2 Dữ liệu hạt nhân và phản ứng của MCNP 74
3.1.3 Cấu trúc của chương trình MCNP 75
3.1.4 Độ chính xác của kết quả và các nhân tố ảnh hưởng 77
3.2 Tally đánh giá 78
3.2.1 Tally F4 78
3.2.2 Tally Fmesh4 79
3.2.3 Tally F2 79
3.3 Kết quả khảo sát phân bố liều xung quanh phòng máy X quang chẩn đoán y tế bằng chương trình MCNP 79
3.3.1 Mô tả phòng X quang thường quy tại bệnh viện Nhi đồng I 80
3.3.2 Kiểm tra hiệu lực của mô hình - chuẩn hóa kết quả mô phỏng 84
Trang 63.3.3 Mô phỏng phân bố suất liều trong phòng chụp X quang bằng tally Fmesh
với các chế độ chiếu chụp khác nhau 89
K ẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 105 TÀI LI ỆU THAM KHẢO 107
Trang 7DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ALARA As Low As Reasonably Achievable
ACTL The Activation Library
ENDF The Evaluated Nuclear Data File
ENDL The Evaluated Nuclear Data Library
IAEA International Atomic Energy Agency
ICRP International Commission on Radiological Protection
ICRU The International Commission on Radiation Units and Measurements MCNP Monte Carlo N-Particle
NCRP National Council on Radiation Protection and Measurement
Trang 8DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống chụp ảnh X quang thông thường 16
Hình 1.2 Những bộ phận cơ bản của một ống phát tia X thông thường 17
Hình 1.3 Các bộ phận chính của ống tia X trong máy chụp X quang hiện đại 18
Hình 1.4 Cấu trúc cathode của ống tia X sợi đốt Volfram nằm trong chén hội tụ 19
Hình 1.5 Tác dụng làm thay đổi hình dạng phân bố chùm electron của chén tội tụ 20
Hình 1.6 Các thành phần của một ống tia X có anode cố định gồm bia Vonfram gắn vào một khối đồng 21
Hình 1.7 Vết hội tụ của bóng X quang có anode cố định 22
Hình 1.8 Hình dạng của anode xoay 23
Hình 1.9 Cấu tạo anode xoay 24
Hình 1.10.a Mặt cắt của một anode RTM 25
Hình 1.10.b Mặt cắt của một anode RTM- than chì 25
Hình 1.11 Vết tiêu thực và vết tiêu hiệu dụng của anode 26
Hình 1.12 Vùng tiêu điểm thực và tiêu điểm hiệu dụng 27
Hình 1.13 Phương pháp chụp ảnh qua lỗ ngắm để xác định kích thước tiêu điểm 28
Hình 1.14 Anode sử dụng hai vết tiêu lớn nhỏ 29
Hình 1.15 Ảnh hưởng của góc nghiêng anode lên kích thước vết tiêu hiệu dụng 30
Hình 1.16 Sự phân bố không đồng đều chùm tia X theo phương song song với trục Cathode - Anode 31
Hình 1.17 Ảnh hưởng của hiệu ứng chân lên khoảng cách đặt phim 31
Hình 1.18 Bầu thủy tinh chứa anode quay 32
Hình 1.19 Mặt cắt ống tia X loại có anode quay của hãng Shimadzu 33
Trang 9Hình 1.20 Bộ lọc hấp thụ các photon năng lượng thấp và cho các photon năng
lượng cao đi qua 35
Hình 1.21 Phổ tia X tạo ra ở điện áp đỉnh 150 kVp đối với anode làm bằng Vonfram 36
Hình 1.22 Cấu trúc bên trong hệ chuẩn trực đầu đèn 39
Hình 1.23 Mặt cắt ngang bộ chuẩn trực loại R20-J của hãng Shimadzu 38
Hình 1.24 Bức xạ hãm phát ra khi electron tương tác với hạt nhân bia 40
Hình 1.25 Electron va chạm trực diện với hạt nhân làm phát ra bức xạ hãm có năng lượng cực đại 41
Hình 1.26 Sự phân bố năng lượng bức xạ hãm ở giá trị điện áp đỉnh 90 kVp (trong trường hợp không có bộ lọc (đường đứt nét) và có bộ lọc tia (liền nét) 41
Hình 1.27 Tương tác làm phát ra bức xạ tia X đặc trưng 44
Hình 1.28 Các dãy phổ ứng với các chuyển dời electron trong nguyên tử 46
Hình 1.29 Các vạch bức xạ đặc trưng ứng với sự dịch chuyển trên nền bức xạ hãm đối với Vonfram ở điện áp 90kVp 47
Hình 1.30 Cường độ phát xạ tia X thay đổi mạnh theo giá trị kVp, khi giữ cùng một giá trị dòng qua ống và thời gian chiếu không đổi 53
Hình 1.31 Ảnh hưởng của mA lên hiệu suất phát tia X 55
Hình 3.1 Quang cảnh phòng chụp X quang thường quy ở bệnh viện Nhi đồng I 80
Hình 3.2 Mô phỏng 3D phòng X quang Nhi đồng I bằng chương trình MCNP5 81
Hình 3.3 Mô phỏng các lớp chì trần, chì tường, chì ốp cửa, kính chì,vị trí ống phát tia X bằng MCNP5 81
Hình 3.4 Máy X quang sử dụng ở bệnh viện Nhi đồng I 82
Hình 3.5 Kích thước cấu hình đầu bóng phát tia X tính theo mm (inch) 82
Hình 3.6 Cấu trúc collimator loại R-20J 83
Trang 10Hình 3.7 Mô hình ống phát tia X và hệ thống Collimator của hãng Shimadzu 82
Hình 3.8 Vỏ ống chân không và cấu trúc bên trong collimator được 84
Hình 3.9 Anode và hệ thống cửa sổ Bakelite, các lớp trong collimator 84
Hình 3.10 Hình chụp các vị trí đặt các cell khảo sát liều vẽ bằng MCNP5 86
Hình 3.11 Đồ thị suất liều (theo khoảng cách nguồn – máy đo) 88
Hình 3.12 Mô phỏng phổ tia X tại giá trị điện áp 100kV 89
Hình 3.13 Mô phỏng phân bố suất liều tại vị trí bàn bệnh nhân ở chế độ chụp 70 kVp, 200 mA, 100 ms 91
Hình 3.14 Mô phỏng phân bố suất liều mặt (xy) của chế độ chụp ngực 92
Hình 3.15 Mô phỏng phân bố suất liều mặt (xy) của chế độ chụp chân 92
Hình 3.16 Mô phỏng phân bố suất liều mặt (xy) của chế độ chụp tay 92
Hình 3.17 Mô phỏng phân bố suất liều mặt (xy) ứng với chụp bụng 75kV 93
Hình 3.18 Mô phỏng phân bố suất liều mặt (xy) của chế độ chụp bụng 90kV 94
Hình 3.19 Mô phỏng phân bố suất liều mặt (xy) của chế độ chụp nhũ – lưng 95
Hình 3.20 Mô phỏng phân bố suất liều mặt (x,y) của chế độ chụp sọ 95
Hình 3.21 Mô phỏng phân bố suất liều mặt (x,y) của chế độ chụp đầu gối 96
Hình 3.22 Mô phỏng phân bố suất liều mặt (x,y) của chế độ chụp ngực AP 96
Hình 3.23 Phân bố suất liều cho khu vực phòng chụp dự kiến thu hẹp kích thước 98
Hình 3.24 Phân bố suất liều trong phòng chụp khi giảm kích thước 99
Hình 3.25 Mô phỏng sự suy giảm suất liều khi đi qua khu vực tường 100
Hình 3.26 Mô phỏng sự suy giảm suất liều khi đi qua cửa bệnh nhân và tường 101
Hình 3.27 Sự suy giảm chùm tia khi đi qua tường phòng X quang 102
Hình 3.28 Mô phỏng phân bố liều mặt (x,y) trong phòng chụp sát trần nhà 102
Hình 3.29 Mô phỏng phân bố suất liều (x,y) trong khu vực trần có lót chì 103
Trang 11Hình 3.30 Sự suy giảm suất liều khi đi qua tường ngăn cách hành lang bệnh viện 104
Trang 12DANH MỤC CÁC BẢNG
B ảng 1.1 Tiêu chuẩn độ bền của dầu máy biến áp 34
B ảng 1.2 Năng lượng liên kết của electron lớp K ứng với một số vật liệu anode 46
B ảng 1.3 Bước sóng của các loại sóng điện từ 47
B ảng 2.1 Hiệu ứng sinh học theo mức độ liều 60
Bảng 2.2 Giới hạn liều chiếu khuyến cáo của ICRP 65
B ảng 2.3 Liều giới hạn trong một năm 66
B ảng 2.4 Liều khuyến cáo cho một phim chụp X quang quy ước đối với bệnh nhân (TCVN 6561:1999) 66
B ảng 2.5 Liều khuyến cáo chụp, chiếu X quang qui ước cho 1 lần chụp 1 phim 67
B ảng 2.6 Kích thước tiêu chuẩn cho phòng đặt máy X quang các loại theo (TCVN 6561:1999) 69
B ảng 3.1 Kết quả đo suất liều theo khoảng cách 84
B ảng 3.2 Giá trị suất liều mô phỏng tại các khoảng cách khảo sát và sai số thống kê tương đối tương ứng 86
B ảng 3.3 Các chế độ chụp của phòng X quang chẩn đoán thường quy tại bệnh viện nhi đồng I 87
B ảng 3.4 So sánh giá trị suất liều giữa các chế độ chụp 90
B ảng 3.5 So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm các đỉnh tia X đặc trưng của Vonfram 99